介绍了玻璃光学元件精密模压成形技术的原理、玻璃材料、模具制造、模具表面镀膜、结合有限元仿真的模压工艺优化和模压成形设备等核心技术的研究进展，并讨论了当前存在的问题。通过探讨玻璃模压成形技术在自由曲面、微结构、衍射结构表面和晶圆阵列等光学元件中的应用现状，对玻璃元件精密模压成形技术的发展趋势和挑战进行了展望。

针对LED扩展光源, 采用双向反馈网格法设计了自由曲面透镜。划分光源和目标面的能量网格, 通过对每一条迭代曲线建立反馈系数, 对网格点进行修正并建立新的映射关系, 设计了两个目标面中心无光照度的自由曲面透镜。将设计的自由曲面透镜用蒙特卡罗方法对不同尺寸的LED扩展光源进行了模拟仿真。结果表明, 对于尺寸在4mm×4mm以下的LED扩展光源, 所设计的自由曲面透镜在照明区域内的均匀度和光能利用率均能达到90.5％以上, 适用于道路照明等场合。

为使LED光源实现特定范围内的均匀照明，提出了一种由复合抛物面集光器和自由曲面透镜结合的主次镜两级准直照明设计方法。该方法可将照明系统出射角控制在±5°～±15°范围内，并在目标区域内实现均匀照明。仿真结果显示：系统出射角在±5°～±15°范围内，理想情况下该系统的能量利用率和照明均匀度均可达85%以上；同时，系统的照明均匀度不会随照明距离的改变发生显著变化，在实际应用中可通过改变照明距离来改变光斑大小和光斑照度。

利用圆环形LED光源阵列结构, 结合反射杯与自由曲面透镜的混合型配光, 设计了可以实现对汽车前照灯远光和近光同时配光的光学系统。对经反射器聚光后的光线及配光屏幕进行了适当的网格划分, 根据能量守恒定律, 建立了出光角、自由曲面透镜与配光屏幕之间的坐标关系。结合折射定律, 通过迭代计算得到自由曲面透镜上的点坐标, 并使用三维建模软件得到透镜模型。利用Tracepro软件对光学系统模型进行了光线追迹。结果表明, 所设计的光学系统可以同时满足GB 25991-2010《LED前照灯标准》对LED前照灯远光和近光的配光要求, 与传统的LED前照灯相比, 能耗可降低至原来的75%。

：设计了一种PMMA自由曲面透镜，用于无导光板结构的LED平板灯。该透镜基于自由曲面透镜的折射和全反射原理实现出射光的重新分布，可用于均匀照明LED平板灯的出光面板。采用数字仿真和实验制作进行设计。仿真结果表明，当自由曲面透镜与出光面板的距离为5 mm、自由曲面透镜旋转为0°、LED与自由曲面透镜的距离为7 mm时，LED平板灯出光效率较高且整灯均匀性达96.6%。实验结果表明，所设计的自由曲面透镜可使无导光板结构的LED平板灯的面板均匀性达95.74%，与数字仿真近似相等。

基于边缘光线原理和光学扩展量守恒思想, 结合复合抛物面聚光器和轴对称自由曲面透镜, 设计并研制了大功率发光二极管扩展光源的反射/折射准直器.运用Tracepro软件对系统进行光束追迹模拟仿真和实验, 研制出均匀光斑的光辐射模拟器.模拟器输出发散角为±12°光束, 测量距离出射面50 cm处光屏的光斑, 在尺寸为14 cm× 14 cm的光照范围内, 测得光斑水平方向中心线上的光度均匀度优于4.1%, 竖直方向中心线上的光度均匀度优于3.8%.

本文通过结构性设计解决了曲面复眼光学系统边缘视场像质难以提高的问题。该光学系统由7个相互独立的子复眼光学系统组成, 各子复眼光学系统相互独立, 其光线相互交叉。在系统中引入自由曲面透镜, 自由曲面透镜相当于棱镜将微透镜阵列光线偏折, 使同一子系统的微透镜成像于平的像面上。每个子系统包括一层微透镜阵列, 一个自由曲面透镜, 一光阑阵列和后续像差校正镜。相比较于传统的复眼系统, 该结构对复眼边缘视场的像差校正能力更强, 能很大程度地提高边缘视场的像质。该系统的理论视场可达180°, 制造精密要求不高且适用性强。本文最后通过光学软件zemax对光学系统进行了模拟验证, 证明其可实现性。

随着以渐进多焦镜片为代表的自由曲面加工技术的出现，传统的光焦度计已经不能满足对于这些镜片的光焦度测量。本文给出了采用朗奇光栅法检测自由曲面眼镜片光焦度的光路结构，并详细介绍了其测量原理。通过光线追迹，对该方法进行了模拟仿真，分析了核心器件朗奇光栅的间距对于测量精度的影响。

LED自身的发光特点限制了其在照明领域的应用，如何合理分配LED的能量，在目标面上形成理想的照度是一个值得研究的问题。就不同应用场合下如何进行光学设计进行分析，通过采用非成像光学设计中光学扩展度守恒方法得到透镜的方程，分别实现圆形均匀照明和矩形均匀照明，其中圆形照明面照度均匀性达到85%，矩形照明面照度均匀性达到75%，并建立了自由曲面透镜三维模型，结合Tracepro进行光线追迹。仿真结果表明：提出的方法满足相应的照明标准，验证了理论设计的合理性。